Satelliten

Raumstation ISS fotografieren – Teil 1

Willkommen zum Teil 1 über das Fotografieren der ISS (International Space Station).

Moment mal!“ wird sich manche(r) an dieser Stelle vielleicht fragen. Wozu soll ich diesen ersten Teil lesen, wenn sich darin (nach schnellem Durchscrollen) noch nicht mal halbwegs erkennbare Bilder der ISS finden lassen und der zweite Teil (Stand Mai 2021) noch gar nicht existiert?

Die Frage ist nicht unberechtigt. Meine Antwort darauf lautet: weil das Fotografieren der ISS nicht leicht ist und Teil 1 trotzdem schon mal einen guten Überblick bietet und Fragen beantwortet, auf die man in anderen Artikeln meistens keine Antworten bekommt.

Dieser Artikel bzw. die später einmal existierende Artikelreihe soll nicht nur für diejenigen interessant sein, die bereits ein Teleskop mit hoher Brennweite haben, sondern auch für jene, die aktuell nur ein Smartphone oder eine Kamera mit Standard-Objektiven besitzen. Mit welcher Brennweite kann ich was erreichen/erwarten?

Manche wollen die ISS vielleicht gar nicht fotografieren. Sich nur mal „auf die Lauer“ zu legen und sie mit bloßem Auge zu erleben, ist bereits ein spannendes Erlebnis. Hierfür sollte der erste Abschnitt Basics ausreichend Informationen liefern, nämlich, wo man Informationen zum Aufenthaltsort der ISS her bekommt und wann sich die Suche nach ihr überhaupt lohnt.

Wer beabsichtigt, die ISS zu fotografieren, der sollte auch Jetzt aber mal Butter bei die Fische lesen. Dort wird beschrieben, wie man die ISS fotografieren kann und welche Tücken dabei auf einen warten.

Das Internet ist voll von Bildern der ISS und die NASA stellt sie in einer Qualität bereit, die man nie erreichen wird. Trotzdem ist es faszinierend, die ISS einmal selbst zu fotografieren. Steht man in Paris vor dem Eiffelturm, dann lässt man seinen Fotoapparat auch nicht in der Tasche, nur weil es auf der Welt bereits so viele Fotos von ihm gibt.

Viel Spaß beim Lesen und eigenen Aufnahmeversuchen!

Basics

Grundlegendes zur ISS

An der Aufnahme-Perspektive des folgenden Bilds sieht man sofort, dass es unmöglich von mir sein kann – es kommt von der NASA (zum Vergrößern anklicken). Die längste Seite misst ca. 110 m und man kann sehr gut erkennen, wie groß der Anteil der Solarpaneelen an der Gesamtfläche/Silhouette der Raumstation ist.

ISS am 04.10.2018 (Quelle: www.nasa.gov)

Die ISS umrundet die Erde in ungefähr 420 km Höhe und benötigt dafür knapp über 90 min. Wenn man Glück hat, kann man sie an einem Abend im Abstand von anderthalb Stunden mehrmals mit bloßem Auge als hellen Punkt am Himmel sehen.

Die ISS bewegt sich in dieselbe Richtung in die sich unsere Erde dreht – nämlich ostwärts. Mit ihren mehr als 28.000 km/h ist die ISS aber deutlich schneller. Sie umkreist die Erde zum Glück nicht entlang des Äquators. Das entspräche einer Bahnneigung von 0 Grad, bei welcher wir sie ISS von Europa/Deutschland aus niemals sehen könnte. Von der ISS aus könnten dann allerdings auch nicht so viele unterschiedliche Orte der Erde überflogen und fotografiert werden.

Die Umlaufbahn der ISS hat eine Bahnneigung von 52 Grad. Mit anderen Worten – ihre Flugspur kreuzt den Äquator in diesem Winkel. Demzufolge „pendelt“ sie immer in dem folgenden Breitengrad-Bereich:

  • -52 Grad (südlicher Zipfel von Chile, die Falkland-Inseln oder 1.500 km südlich von Melbourne/Australien) bis
  • +52 Grad (Saskatoon/Kanada, Cork/Irland, Den Haag/Niederlande, Hannover/Deutschland, Irkutsk/Russland)

In Hannover (ca. 52°N) kann die ISS den dortigen Himmels-Zenit gerade noch erreichen (senkrecht über einem, Kopf ganz in den Nacken). In Oslo (60°N) erreicht die ISS den dortigen Zenit nicht mehr ganz. Es fehlen 60-52=8 Grad. Befindet man sich nördlich von 52°N, kann man die ISS immer nur in der südlichen Himmelshälfte sehen (ist man südlich von 52°S, dann nur in der nördlichen Himmelshälfte). An allen anderen Orten zwischen dem nördlichen und südlichen 52. Breitengrad kann die ISS für einen dortigen Beobachter beide Himmelshälften (Nord und Süd) durchwandern, aber immer in Richtung Osten.

Wo befindet sich die ISS im Augenblick?

Auf der Internetseite der European Space Agency (ESA) kann man den Verlauf und die Position live verfolgen (Link in Bildunterschrift).

Auch wenn es auf der Karte so aussieht, aber die ISS fliegt keine Kurven im All. Die wellenförmigen Linien ergeben sich durch die flache (2D) Abbildung der kugelförmigen Erdoberfläche.

Man sieht eine gelbe und eine weiße Linie. Die gelbe Linie zeigt, wo die ISS bereits war und die weiße wo die ISS gerade ist bzw. sein wird. Zusätzlich zur aktuellen Position zeigen zwei Dreiecke/Pfeilspitzen die Position vor (gelb) und in (weiß) 1.5 Stunden an. An den Linien sieht man, dass sie den Äquator um mehr als 45° schneiden – nämlich mit besagten 52°.

Auf der Karte ist zu erkennen, dass die ISS zur gezeigten Zeit von Europa aus nicht zu sehen ist. Die weiße „Zukunftslinie“ liegt gegenüber der gelben „Vergangenheitslinie“ immer im Westen. Der Erdschatten (die Nacht) wandert ebenfalls in Richtung Westen. Er ist mit seinen 22.5° pro 1.5h (360°/24h) etwas langsamer als die weiße ISS-Zukunftslinie, denn diese schreitet alle 1.5h um ca. 24° nach Westen voran. Sie wird den langsameren Erdschatten demnach einholen und irgendwann auch überholen. Bei der auf der Karte dargestellten Situation besteht für Europa also noch die Chance, die ISS am kommenden Morgen (nach ca. 5 weiteren Umläufen) vor Sonnenaufgang am Himmel zu sehen.

Ein interessantes aber für die Fotografie unwichtiges Detail ist, dass die ISS alle 90 min aus dem Erdschatten herausfliegt, d.h. die Besatzung erlebt alle 90 min einen Sonnenaufgang (also 16x am Tag).

Wann und wo kann ich die ISS sehen?

Die Darstellung der ESA zeigt sehr schön, wo sich die ISS gerade aufhält. Um aber für seinen eigenen Standort herauszufinden, zu welcher Uhrzeit sie am Himmel erscheinen und welcher Himmelsbahn sie folgenden wird, dazu liefern die beiden folgenden Internetseiten genauere Informationen:

https://heavens-above.com (Satelliten – 10 Tages Vorhersage – ISS)

https://stellarium-web.org (in Suchfeld „ISS“ eingeben, unten die Uhrzeit verändern)

HeavensAbove gruppiert die Spalten in einer Tabelle in Anfang, höchster Punkt und Ende. Jede Gruppe enthält die Angaben Zeit, Höhe und Himmelsrichtung (Azimut). Zeit und Himmelsrichtung sollten eindeutig sein. Bei der Höhenangabe in Grad bedeutet 0°=Horizont und 90°=Zenit (senkrecht oben).

In Stellarium findet man die Himmelsrichtung (Az=Azimut) und Höhe (Alt=Altitude) in der Infobox zur ISS. Die wird angezeigt, nachdem man „ISS“ im Suchfeld eingegeben hat. Zum Zeitpunkt der Suche befindet sich die ISS sehr wahrscheinlich noch hinter dem Horizont. Indem man die Uhrzeit (unten rechts) verändert, kann man sich die Bewegung der ISS im Zeitraffer ansehen. Sobald sie am Himmel erscheint, erhält man anhand von markanten Sternen und den Kompassangaben am Horizont eine leicht verständliche Vorhersage ihrer Himmelsbahn.

Die beiden genannten Seiten (oder ihre PC-/App-Version) sind natürlich nicht die einzigen verfügbaren Quellen. Ich für meinen Teil bevorzuge diese Seiten, weil HeavensAbove neben den ISS Daten noch weitere interessante Informationen liefert und Stellarium neben seiner leichten Bedienung auch „Zeitsprünge“ zulässt. Die Stellarium PC-Anwendung kann einem auch anzeigen, welchen Himmelsausschnitt man mit welcher Kamera (Sensorgröße) und Objektivbrennweite sehen wird. Das kann bei der Planung sehr hilfreich sein.

Die vorhergesagten Sichtbarkeitszeiten sind ziemlich genau – ich würde mal sagen minutengenau. Eine genaue Uhr während der ISS Suche hilft bei der Beurteilung, ob man noch warten muss oder sie bereits verpasst hat. Die Zeitangaben beider Webseiten weichen meist um einige Sekunden voneinander ab. Welche von beiden genauer ist, kann ich nicht beurteilen. Auf die Sekunden achtet man sowieso nicht, wenn man konzentriert den Himmel absucht.

Entscheidend – die richtige Standortangabe

Auf beiden Internet-Seiten ist es besonders wichtig, seinen eigenen Standort möglichst genau anzugeben. HeavensAbove nutzt sonst die Koordinaten 0°/0° (am Äquator westlich der Republik Kongo im Atlantik) und Stellarium einen geschätzten Standort anhand der Internet-IP-Adresse. Dies wird bzw. kann zu unbrauchbaren Vorhersagen führen. Im aktuellen Webdesign beider Seiten (Mai 2021) ändert man die eigene Position oben rechts (HeavensAbove) bzw. unten links (Stellarium). Ein großer Vorteil der HeavensAbove Smartphone App sowie der Stellarium PC-Anwendung ist, dass die lästige aber wichtige Standorteingabe nur einmal gemacht werden muss (wenn man immer denselben Standort nutzt). In der Smartphone-App ist das aber auch schnell per GPS erledigt.

Wie wichtig die Standort-Angabe ist, kann man sich anhand der zuvor gezeigten ESA-Karte und der weißen Verlaufslinie verdeutlichen. Ein Beobachter an der Westküste der USA wird die ISS in westlicher Richtung aufsteigen sehen. Ein Beobachter in Südamerika muss nach Nord-Westen schauen.

Bei der konzentrierten Suche nach einem kleinen Leuchtpunkt muss man einfach zur richtigen Zeit in die richtige Richtung schauen. Die richtige Standort-Angabe ist auf beiden Seiten also entscheidend. Ansonsten huscht die ISS unbemerkt und außerhalb des eigenen Blickfelds an einem vorbei und man ist enttäuscht wie bei einem verspäteten oder ausgefallenen Zug. Beim Fotografieren muss die Standort-Angabe mitunter sehr genauer sein – mehr dazu später.

To see or not to see?

Beide Internetseiten machen auch eine Aussage über die zu erwartende Helligkeit („mag“ oder „Magnitude“). Diese ist ein Anhaltspunkt dafür, ob es sich überhaupt lohnt, nach der ISS Ausschau zu halten. Die tabellarische Übersicht bietet hier natürlich Planungsvorteile.

Je kleiner oder negativer der Helligkeits/Magnitude-Wert ist, desto heller erscheint die ISS (Erklärung dazu unter Wikipedia – Scheinbare Helligkeit). Bei einem Wert von +2 lohnt es sich kaum, seine Fotoausrüstung aufzustellen. Die ISS wäre dann zwar so hell wie der Polarstern, aber nicht besonders eindrucksvoll. Bei negativen mag-Werten und klarem Himmel ist die Sichtbarkeit jedenfalls um Klassen besser und man kann die ISS kaum übersehen.

Grundsätzlich gilt – ohne Sonne und Dunkelheit keine ISS.

Die Chancen stehen am besten, wenn ihr Erscheinen zeitlich mit dem Untergang/Aufgang der Sonne zusammenfällt (Nacht- oder Tagesanbruch). Das reflektierte Sonnenlicht der Solarpaneelen sorgt für die teils atemberaubende Helligkeit. Mitten in der Nacht befindet sich die Sonne auf der Rückseite der Erde. Überfliegt die ISS zu diesem Zeitpunkt den Nachthimmel, bekommt sie natürlich keinen einzigen Sonnenstrahl ab (schwarze ISS vor schwarzem Hintergrund). Es sei denn der Vollmond steht gerade günstig und bietet sich an, den Beleuchter-Job zu übernehmen.

Hier ist noch ein interessantes Video von der ESA, wo die Astronautin Samantha Cristoforetti etwas über die Flugbahn, den Zeitpunkt der besten Sichtbarkeit der ISS von der Erde aus und was im umgekehrten Fall die Besatzung von der Erde sieht, wenn die ISS den Erdschatten verlässt:
ESA.int – Web Streaming Network – Node 2 ISS Tracker

Zuverlässigkeit von Sichtbarkeits-Vorhersagen

Langzeit-Vorhersagen von mehreren Wochen/Monaten gibt es normalerweise nicht und wenn man welche findet, sind sie höchst wahrscheinlich mehr als unzuverlässig. Der Grund dafür ist, dass die ISS im Laufe der Zeit langsam an Höhe verliert, wodurch sich das Umlaufverhalten um die Erde verändert.

Von Zeit zu Zeit werden Versorgungsflüge zur ISS unternommen (Lebensmittel, Versuchsmaterialien) oder neue Besatzungsmitglieder kommen, andere fliegen zurück zur Erde. Bei solchen Vorgängen übernimmt die besuchende/andockende Raumkapsel die zusätzliche Aufgabe, die ISS mit etwas Schub wieder auf eine höhere Umlaufbahn zu bringen, wodurch sich das Umlaufverhalten wieder ändert – diesmal aber sprunghaft – und alte Vorhersagen über den Haufen geworfen werden. Höhen-Ausweichmanöver oder das Verdrehen der Solarpaneelen wegen sich näherndem Weltraumschrott führen ebenfalls zu Veränderungen.

HeavensAbove zeigt auf dieser Seite die Höhe der ISS über ein gesamtes Jahr an:
Heavens-Above.com – ISS Height

Man kann man sich leicht vorstellen, dass sich die Webseiten eigentlich täglich mit neuen Bahndaten der ISS versorgen müssen, um für die nächsten 1-2 Wochen brauchbare Vorhersagen zu liefern – ähnlich wie bei der Wettervorhersage.

HeavensAbove macht nur 10-Tages Vorhersagen und zeigt mit der „Epoche“ an, von wann die ISS Bahndaten sind, die zur Vorhersage-Berechnungen genutzt werden. Beim Start/Ende-Datum kann man dort zwar in 10 Tages Schritten vor- und zurückspringen, die Berechnungen werden aber trotzdem mit den aktuellen (Epoche) Bahndaten durchgeführt. Je mehr das Start/Ende-Datum vom Epochen-Datum abweicht, desto unzuverlässiger/unbrauchbarer werden die berechneten Angaben. Bei Stellarium hat man dasselbe Problem. Je weiter man sich im Zeitraffer vom aktuellen Datum entfernt, desto weniger stimmt der gezeigte Bahnverlauf mit dem tatsächlichen früheren oder dem vorhergesagten späteren Verlauf überein.

Jetzt aber mal Butter bei die Fische

Damit der Beitrag seinem Titel gerecht wird, wird es langsam mal Zeit für ein paar eigene Bilder und Infos dazu, wie diese aufgenommen worden sind.

Langzeit-Belichtungen

Zu meinen ersten Aufnahmeversuchen gehörte eine Reihe von Langzeitbelichtungen von jeweils 25 Sekunden mit einer digitalen Spiegelreflex-Kamera und einem FischEye-Objektiv (Brennweite 8mm). Solche Aufnahmen kann man aber auch mit dem Smartphone machen, wenn die Kamera-App einen manuellen Modus unterstützt und man die Belichtungszeit, Blende, ISO und Fokus selber einstellen kann.

Man sieht an der Länge der Leuchtstreifen, wie schnell die ISS am Himmel entlang zieht und das sie am höchsten Punkt am schnellsten ist (längster Streifen pro 25s). Am höchsten Punkt ist die Entfernung zwischen einem selbst und der ISS am geringsten. Wie bei einem vorbeifahrenden Auto erkennt man dessen echte Geschwindigkeit am besten, wenn es einem am nächsten ist. Nimmt man die ISS an dieser nahen Positionen auf, wird man die größten Abbildungen bekommen (jedes Pixel zählt 🙂 ) und auch der Weg des Lichts durch die Erdatmosphäre in die Kameralinse ist an dieser Position am kürzesten. Je nach Sonnenstand ist aber nicht garantiert, dass die ISS am höchsten Punkt auch immer am hellsten leuchtet – die Solarpaneelen müssen im günstigen Winkel stehen.

Für erste Aufnahmeversuche nimmt man am besten ein Objektiv mit geringer Brennweite (8, 15, 24mm). Damit erfasst man einen großen Himmelsbereich und braucht während des Überflugs die Kameraausrichtung nicht zu verändern. Man kann das ganze Spektakel dabei relativ entspannt beobachten – nicht nur durch den Sucher. Wie schon am Anfang erwähnt, bekommt man hierbei einen guten Eindruck, wie wenig Zeit man haben wird, wenn man später mal Einzelbild- oder Filmaufnahmen bei hohen Brennweiten machen möchte.

Auf den Aufnahmen (vom 16.05.2020 gegen 23.00 Uhr, Brennweite 8mm, ISO 1600, jeweils 25s) sieht man, dass die ISS unterhalb des Sterns in der Bildmitte (Arcturus) entlang fliegt. In Stellarium kann man zwar (nach mittlerweile einem guten Jahr) den Sternenhimmel zum Aufnahmezeitpunkt wieder exakt „rekonstruieren“, den ISS-Bahnverlauf wegen der veränderten aktuellen Bahndaten aber leider nicht mehr.

Auf dem nachfolgenden Bild wollte ich eigentlich die Milchstraße fotografieren. Hier hat sich aber die ISS völlig überraschend „rein gemogelt“. Das Timing mit dem das passierte ist absolut unglaublich – genau zwischen der Baumlücke ohne die Bäume zu „berühren“. Flugzeuge oder (andere) Satelliten stören zwar öfters bei Langzeitbelichtungen, hier war ich aber positiv überrascht. Unten beim Schilf sind Jupiter (re) und Saturn (li) zu sehen.

Milchstrasse ISS
15.07.2020 – 01:07 Uhr (8mm, f3.5, 30s, ISO 3200)

Einzel-Belichtungen

Einzelaufnahmen von der ISS zu machen ist schon deutlich herausfordernder. Die ISS ist relativ schnell und sehr hell, was zu Unschärfe und Überbelichtung führt. Man muss also den richtigen Mix aus Belichtungszeit, der Blende (falls das Objektiv eine hat) und Lichtempfindlichkeit der Kamera (ISO Einstellung) finden.

Zwei Methoden

Bei zu langer Belichtung erzeugt die ISS einen unscharfen Leuchtstreifen. Zu hohe ISO Werte lassen alle Details „ausbrennen“ (alles weiß, keine Helligkeitsabstufungen). Die Hoffnung nach erkennbaren Details ist damit sofort hinüber. Wie kurz man die Belichtungszeit wählen muss, hängt neben der aktuellen ISS Helligkeit (s. oben, mag/Magnitude) auch davon ab, ob man die Aufnahmen …

  • mit einem von Hand nachgeführten oder
  • mit einem starr ausgerichteten

Fotoapparat oder Teleskop macht.

Hält man die Kamera in der Hand oder führt ein Teleskop von Hand nach, dann entsteht weitere Unschärfe, die man nur durch sehr kurze Belichtungszeiten in den Griff bekommt (1/1000s oder noch kürzer). Kurze Belichtungszeiten bedeuten, dass die Kamera weniger Licht einfängt. Wenig Licht gleicht man in der „normalen“ Fotografie durch ein lichtstarkes Objektiv, eine weit geöffnete Blende oder einen hohen ISO Wert aus. Wie noch zu sehen sein wird, ist bei der ISS meist nicht zuwenig Licht das Problem, sondern eher zuviel davon!

Um die Bewegungsunschärfe in den Griff zu kriegen, kann die starre Ausrichtung von Kamera/Teleskop eine Alternative sein. Der Vorteil ist, man kann etwas länger belichten und eine niedrigere ISO-Stufe nutzen (weniger Bildrauschen). Wie im echten Leben – keine Vorteile ohne Nachteile. Bei einem starren Sichtfeld/Bildausschnitt hat man nur ein begrenztes Zeitfenster zum Fotografieren. Außerdem man muss sicher sein, dass die ISS auch durch das Sichtfeld hindurchfliegen wird.

Die ganze Theorie mit ISO und Belichtungszeiten rauf und runter kann man in Foto-Sessions mit „geduldigen“ Motiven ausprobieren. Die ISS ist aber alles andere als geduldig – sie kämpft mit Top-Speed gegen die Schwerkraft :-). Die Einstellungen muss man schon vorher festlegen – man ist also auf etwas Glück oder seine gesammelten Erfahrungen angewiesen.

Kurzes Vorwort zu beiden Methoden

Ich habe beide Methoden ausprobiert. Zuerst mit einem 1000 mm Teleskop (starr ausgerichtet, am Südhimmel). Eine Woche darauf – sehr spontan – mit einem 600 mm Objektiv (aus der Hand fotografiert, am Nordhimmel, wo ich das Teleskop nicht „hinschleifen“ konnte/wollte). Bei den Teleskop-Aufnahmen war schon zu erkennen gewesen, dass man bei 1000 mm Brennweite nur winzig kleine Abbildungen erhält. Unglücklicherweise waren diese auch noch stark überbelichtet. Trotz der zu erwartenden noch kleineren Abbildungen wollte ich herausfinden, was mit einem 600 mm Objektiv möglich ist. Diese Aufnahmen machte ich mit dem Fotoapparat in der Hand, aber besseren Belichtungseinstellungen.

Die Ergebnisse beider Shooting-Events sieht man in den folgenden Abschnitten. Ich hatte hin und her überlegt, ob ich diese überhaupt veröffentlichen soll, denn die Aufnahmen sind alles andere als gut geworden. Ich habe mich dann doch dazu entschlossen, denn aus Fehlern lernt man bekanntlich am besten – auch wenn es hier nur meine eigenen sind. Die Methode mit der starren Ausrichtung ist vermutlich nicht so verbreitet – höchstens bei einem Mond- oder Sonnen-Transit, wo man meist weite Strecken zu einem passenden Standort fahren muss. Von daher sind die Informationen und Erfahrungen zur Ausrichtung an einem x-beliebigen Stern für manchen eine interessante Information.

Aufnahmen mit Kamera in der Hand

Bei den folgenden Aufnahmen habe ich ein älteres Spiegelobjektiv mit einer festen Brennweite von 600 mm (Fest-Blende f8) benutzt. Ich wußte schon vorher, dass keine großen ISS Abbildungen zu erwarten sind. Ich wollte einfach wissen, was mit so einem kompakten Objektiv möglich ist.

Das Objektiv eignet sich ganz gut, um halbwegs bildfüllende Aufnahmen von großen Objekten wie dem Mond (siehe dieses Bild) oder Orionnebel zu machen und wo leichte Unschärfe zu verkraften ist. Für kleine Objekte wie dem folgenden „ISS Leuchtpunkt“ fehlt es der Optik an Schärfe und wie erwartet an Brennweite.

Spiegelobjektive sind aufgrund der kompakten Bauform sehr verführerisch. Sie werden (neu) z.T. auch mit 800 mm Brennweite zu günstigen Preisen angeboten. Dieses kleine Brennweiten-Plus bringt einen hier leider auch nicht weiter. Ich hatte mal eins ausprobiert und war sehr enttäuscht. Details waren selbst bei Tageslicht verwaschen und das Fokusieren von weit entfernten Objekten war eine Qual (extrem kurzer Fokusweg). Bei den Online-Shops also auch die 4+5 Sterne Rezensionen lesen. Alte bzw. gebrauchte Objektive namhafter Hersteller bieten scheinbar bessere Qualität.

Canon EOS, Spiegelobjektiv 600 mm, f=8, 1/2000s, ISO 3200 (29.05.2020 – 22.25 Uhr)

Eine Zusammenstellung von Ausschnitten (Zoom 1200%) aus einer Fotoreihe desselben Überflugs (Belichtungs- und ISO-Werte identisch wie beim Bild oben).

„Sehr interessant“ würde vermutlich Alfred Biolek dazu sagen. Spock hätte sich vielleicht noch zu einem „faszinierend“ hinreißen lassen, schließlich sind die Fotos aus der Hand aufgenommen worden und das fotografierte Objekt war zwischen 400 und 500 km entfernt. Wer anzweifelt, dass diese Pixelansammlungen tatsächlich die ISS sind, dem kann ich das nicht wirklich übel nehmen.

Vielleicht war die Sonne bereits zu lange untergegangen oder die Erdatmosphäre zu unruhig. Sehr wahrscheinlich ist auch, dass das Objektiv nicht optimal scharf eingestellt war oder es einfach nicht die nötige Schärfe liefern kann. Vielleicht ist es auch eine Mischung aus Allem. Gewissheit bekäme man nur durch viele weitere Aufnahmeversuche, für die immer das Wetter und die Wolken mitspielen müssen … und ab und zu hat man auch einfach mal was anderes zu tun oder braucht eine Mütze voll Schlaf.

Bei normalen Kameraobjektiven (im Gegensatz zu astronomischen Teleskopen) kann es zum Teil sehr schwer sein, in der Entfernung „Unendlich“ den richtigen Schärfepunkt zu finden. Hier entscheiden bereits ein oder wenige Zehntel Millimeter Drehung am manuellen Fokus (Autofokus am Nachthimmel geht ja leider nicht), ob das Objekt scharf oder verschwommen ist. Zum Nachjustieren während des ISS Überflugs ist jedenfalls keine Zeit. Das muss man vorher an einem Stern oder den Mondkratern erledigt haben und man darf den Fokusregler anschließend nicht mehr berühren.

Wenn man aber bedenkt, dass die ISS in dieser Bilderreihe nur aus etwa 30×30 Pixel besteht (die Ausschnitte kommen aus 24 MegaPixel großen Bildern, 6000×4000 Pixel), dann kann man auch nicht erwarten, feine Strukturen zu erkennen. Man würde sich selbst auch schwer tun, auf einem halben karierten DIN-A4 Blatt die ISS zu zeichnen, indem man pro Kästchen nur eine Farbe oder Grauton benutzen kann.

Zum Betrachten der eigenen Aufnahmen mit einem Bildbetrachtungs-Programm (z.B. mit IrfanView) möchte ich noch folgenden Hinweis durch Gegenüberstellung zweier Vergrößerungen geben. Beide Bilder entstammen derselben Aufnahme-Datei und in beiden Fällen wurde bis auf Pixelebene gezoomt. Links wurde im Programm unter den Anzeige-Einstellungen jedoch das „Resampling for zooming“ abgeschaltet, beim rechten Bild blieb es aktiv. Das Resampling erzeugt Farbabstufungen um das Bild „glatter“ wirken lassen soll. Bei der rechten Vergrößerung entstehen durch das Resampling runde Strukturen. Man könnte glauben, es wären die an der ISS angedockten Sojus-Raumkapseln, das verwendete Objektiv hätte genügend Brennweite und man hätte einfach nur unscharfe Bilder gemacht. Die Darstellung mit den harten Farbübergängen erzählt einem die leider traurige Wahrheit … zu wenig Brennweite.

links ohne / rechts mit Resampling

Zum Vergleich habe ich die perfekte Aufnahme der NASA (vom Beginn des Beitrags) einmal auf 45×30 Pixel geschrumpft, damit die ISS etwa vergleichbare 30 Pixel breit ist. Man sieht, wie stark die Details verschwimmen. Es könnte auch ein Hirschgeweih in Minecraft sein. Über so ein Ergebnis wäre ich mit meinem 600 mm Objektiv trotzdem ziemlich glücklich gewesen. Für so ein Bild muss die ISS aber perfekt angestrahlt werden und die Luft in der Erdatmosphäre (mit ihrem Staub und der Feuchtigkeit die wie viele Streulinsen wirken) müsste für einen Augenblick völlig ruhig stehen.

Herunterskaliertes NASA Bild (45×30 Pixel)

Abschließend kann man jedenfalls sagen, dass die verwendeten Einstellungen ISO 3200 und 1/2000s bei einer Festblende von f=8 scheinbar recht brauchbar sind (bei meiner Canon EOS zumindest). Die ISS war jedenfalls nicht bis zur Unkenntlichkeit überbelichtet und die verschwommene Ansicht ist bei so wenigen Pixeln (30×30) eigentlich unvermeidbar (Erdatmosphäre hin oder her).

Aufnahmen mit starr ausgerichtetem Teleskop

Durch die starre Ausrichtung von Kamera/Teleskop verhindert man, dass Bewegungsunschärfen durch das händische Nachführen/Bewegen entstehen. Dazu muss man wissen, wo die ISS entlang fliegen wird und seine Kamera/Teleskop vorher entsprechend ausrichten.

Ein Blick bei HeavensAbove verät einem, wie hell die ISS sein wird und ob sich der ganze Aufbauaufwand lohnt. Hat man einen guten Tag/Zeitpunkt zum Fotografieren gefunden, kann man sich in Stellarium den Bahnverlauf zeigen lassen.

Je nach Ausrüstung hat nun 2 Ausrichtungs-Möglichkeiten. Besitzt man eine Teleskop-Montierung mit einer Goto-Motorsteuerung, dann kann man das Teleskop im Prinzip an jede geeignet Stelle (am besten in Zenit-Nähe) positionieren lassen. Voraussetzung ist natürlich, dass man die Teleskop-Montierung vorher exakt ausgerichtet hat (am besten am Polarstern).

Die zweite Möglichkeit (die ich nachfolgende beschreibe) ist, sich an einem markanten Stern zu orientieren, dem die ISS sehr nah kommen wird. Diesen ausgewählten Stern sollte man vorher anvisieren und ein paar Testaufnahmen machen, um sicher zu sein, dass die Fotoaufnahme mit der Darstellung in Stellarium übereinstimmt. Durch die Erddrehung dreht sich der Sternenhimmel. Daher ist kurz vor Erscheinen der ISS eine Kontroll-Aufnahme angebracht, um die Ausrichtung ggf. auf den letzten Drücker noch nachzujustieren. Bei einer Montierung mit Nachführung entfällt dieser „Stress“.

Ausrichtung am Stern

Bei meiner Aufnahme im letzten Jahr (am 18.05.2020) habe ich die zweite Ausrichtungs-Möglichkeit (am Stern) verwendet. Beim Zeitraffer-Durchlauf in Stellarium war im voraus zu erkennen, dass die ISS das Sternbild Löwe durchkreuzt und dabei dessen Stern Adhafera sehr nahe kommt. Dieser Stern ist auf den beiden folgenden Stellarium-Screenshots am hellsten und die ISS ist der jeweils größte helle Punkt in den rechten Bildhälften. Beide Screenshots unterscheiden sich in der Vorhersage-Uhrzeit nur um 1 Sekunde. Man sieht schon, dass man bei einer starren Ausrichtung nur ein kleines Zeitfenster zum Fotografieren hat. Nachdem ich die Aufnahmen gemacht hatte, war ich völlig baff, wie genau die Vorhersagen von Stellarium waren.

Vorhersage für den 18.05.2020 um 23:07 Uhr und 18 Sekunden (Quelle: stellarium-web.org)
Vorhersage für den 18.05.2020 um 23:07 Uhr und 19 Sekunden (Quelle: stellarium-web.org)

Bitte noch mal das Big-Picture

Die vorherigen Screenshots zeigen nur einen sehr kleinen Himmelsausschnitt. Stellarium zeigt das oben rechts als FOV=Field Of View an, also den Blinkwinkel. Mit einem FishEye Objektiv mit niedriger Brennweite hat man einen großen Blickwinkel und je größer die Brennweite wird, desto kleiner wird der Blickwinkel bzw. der sichtbare Himmelsausschnitt.

In der folgenden Stellarium-Bilderserie sieht man noch einmal den Übergang von einer großen Übersicht (FOV=120°) bis hin zu einem Zoomlevel (FOV=0,972°), der meiner folgenden Foto-Aufnahme relativ genau entspricht und wo neben dem Stern Adhafera noch dessen größere Nachbarn (Leonis 35 und 39) und viele andere kleine Sterne zu sehen sind. Das letzte Bild in der Serie enthält zwei von mir hinzugefügte Linien. Der vorhergesagte Bahnverlauf der ISS ist die rot eingezeichnete Linie (abgeleitet aus den beiden vorherigen Screenshots vom letzten Jahr) und der tatsächliche Bahnverlauf (abgeleitet aus den echten Fotoaufnahmen) entspricht der grünen Linie.

Zeit für ein echtes Bild

Das nächste Bild ist nun die echte Aufnahme – eine Zusammenstellung (in Photoshop) aus 8 Einzelaufnahmen. Darunter zum direkten Vergleich noch einmal der Stellarium-Screenshot mit der roten & grünen Linie (der Zoom=FOV=0,972° ist in etwa vergleichbar mit der Aufnahme).

8 Einzelaufnahmen, Canon EOS, Teleskop 1000mm, f=5, 1/500s , ISO 12800 (18.05.2020 – 23:07 Uhr)
Minimal größerer Himmelsausschnitt in Stellarium – Linie rot=Vorhersage grün=tatsächlich/fotografiert

Wie genau ist die Vorhersage?

Die Screenshots mit der roten & grünen Bahn zeigen ein dünnes Raster („Azimuthal Grid„). An diesem kann ebenfalls der Blickwinkelbereich (FOV) abgelesen werden. Die senkrechten Rasterlinien unterteilen die Himmelsrichtung (Azimut) in einzelne Winkelabschnitte und die waagrechten die Höhe (Altitude). Die Vergrößerung (unten) zeigt, dass beide Bahnen innerhalb eines 20 Bogenminuten (1/3 Grad) breiten Azimut-Abschnitts liegen. Beide Bahnen selbst liegen nur etwa 3 Bogenminuten auseinander, was 0,05 Grad entspricht. Mit einem Geodreieck lässt sich so eine geringe Winkeldifferenz bereits nicht mehr messen. Mit anderen Worten … die Vorhersage war und ist für unsere Zwecke sehr genau.

Abweichung zwischen den Bahnverläufen – tatsächlich (grün) und vorhergesagt (rot)

Bei dieser Motivbreite/Himmelsausschnitt/FOV reicht die Genauigkeit locker dafür aus, um bei der Kamera/Teleskop Ausrichtung schon vorher festzulegen, wo genau die ISS später im Foto zu sehen sein soll. Man könnte die Kamera auch so verdrehen, dass die ISS entlang der Bilddiagonalen fliegt. Dadurch würde man etwas Zeit für zusätzliche Aufnahmen gewinnen.

Wie genau die vorhergesagten Uhrzeiten sind, also zu welcher Sekunde sich die ISS wo genau auf der Bahn befindet, dazu kann ich nichts sagen. Das ist aber auch nicht besonders wichtig. Denn sobald man mit bloßem Auge sieht, dass sich die ISS dem markanten Stern nähert, ist einem die Uhrzeit egal und man hält den Auslöser dauerhaft gedrückt um so viele Serienaufnahmen wie möglich zu machen (lange Belichtungszeiten vermeiden und schnelle Speicherkarte nutzen!).

Welchen Einfluss hat die Standortangabe auf die Vorhersage?

Ich habe es schon in den Basics geschrieben – die möglichst genaue Standortangabe ist wichtig. Aber gerade bei dieser Fotografie-Methode (Kamera Ausrichtung durch Orientierung an einem Stern) empfehle ich dringend, den ganz genauen Standort in Stellarium anzugeben (einfach das blaue Standort-Icon auf der Kartenansicht verschieben und auf „Use this location“ klicken). Die ISS ist mit ihrer Flughöhe von „nur“ 400 km im Vergleich zu einem Stern einfach zu nah, als das man sich bei der Standortangabe größere Ungenauigkeiten leisten kann.

Welchen Vorhersagefehler man bei einer Standortabweichung von 20 km erhält, zeigt das folgende Bild am Beispiel eines Standorts in Hannover-Mitte. Es zeigt einem Himmelsausschnitt/FOV von 4° (mein Foto hatte nur ca. 0,85°). Bei dem eingestellten Datum fliegt die ISS eine relativ gerade Bahn von West nach Ost und fast durch den Zenit (wegen Breitengrad 52°N). Sie befindet sich zur gezeigten Uhrzeit noch im Westen im Anstieg. In Nähe des Sterns Denebola habe ich die Zeit angehalten (rote ISS Position), anschließend den Standort 4x verändert (um 20 km in alle vier Himmelsrichtungen, 0°, 90°, 180°, 270°) und die Vorhersagepositionen gelb markiert.

Bei den 20 km entfernten Standorten im Norden und Süden beträgt die Abweichung 1,5° (anderthalb Kästchen). So eine Abweichung ist mit dem Geodreieck wieder messbar :-). Hätte ich ISS-Bahnvorhersagen mit so starken Standortabweichungen für die Teleskop-Ausrichtung benutzt, wäre die ISS höchstwahrscheinlich nicht auf den Fotos gewesen.

Vorhersageabweichungen durch falsche Standortangaben

Kurzer Gedankenausflug nach Wuppertal

Auf den ersten Blick versteht man nicht sofort, weshalb sich die gelb markierten Positionen genau so und nicht anders von der rot markierten Position weg bewegen. Scheinbar gedreht und auch noch spiegelverkehrt. Man muss sich nur klar machen, dass das Bild einen Blick in Richtung Westen zeigt. Genau die Richtung, aus der sich die ISS nähert. Eine Bewegung nach links/rechts bedeutet eine Blickrichtungsänderung nach Süden/Norden.

Am Beispiel der Wuppertaler Schwebebahn ist es vermutlich einfacher zu verstehen. Weil ich in Stellarium die Zeit angehalten hatte, soll auch hier die Schwebebahn einfach mal stillstehen.

Schwebebahn in Wuppertal (Quelle: pixabay.com, Fotograf Michael Gaida)

Die rote ISS Position liegt fast genau auf der Himmelsrichtung/Azimut Linie 260°. Das ist relativ genau Richtung Westen (270° wäre exakt Westen). Die Höhe/Altitude liegt bei 27°, d.h. man muss seinen Kopf um 27° anheben um genau auf die ISS zu blicken. Schalten wir nun gedanklich von der ISS auf die Schwebebahn um. Die Schienen-Trasse kommt aus Richtung 260° und wir heben den Kopf etwas um direkt auf die (stehende) Schwebebahn zu blicken.

Wie müssen wir unseren Kopf bewegen/drehen, wenn wir die Schwebebahn im Blick behalten wollen, uns aber von Fotografen-Standort wegbewegen?

Laufen wir der Bahn in Richtung Westen entgegen, müssen wir den Kopf anheben. Genau dasselbe macht der gelbe „20km West“ Kreis. Er ist gegenüber dem roten Punkt nach oben gewandert in Richtung der 28° Altitude Linie. Warum er auch noch etwas nach links zur 259° Azimut Linie gewandert ist – leichter Schwenk nach Süden – erkläre ich noch.

Entfernen wir uns vom Fotografen-Standort nach rechts (Norden), müssen wir den Kopf nach links drehen (Richtung Süden). Je weiter wir uns von der Schienentrasse entfernen, desto weiter können wir auch noch den Kopf senken. Genau das macht der gelbe „20km Nord“ Kreis. Er ist gegenüber dem roten Punkt nach links zur 258° Azimut Linie gewandert (südwärts) und noch etwas nach unten.

Läuft man exakt in Richtung Westen (270°), also nicht entlang der Schienen-Trassen-Flucht, sondern etwas (um 10°) versetzt nach rechts, dann reicht es nicht mehr, den Kopf nur noch anzuheben. Man muss ihn auch etwas nach links (Richtung Süden) drehen. Das ist der Grund, warum der gelbe „20km West“ Kreis auch ein wenig nach links gewandert ist.

Für die 20km Süd- und Ost-Bewegung gilt dasselbe, nur herumgedreht (Kopf senken bzw. nach rechts/Norden drehen).

Neben den Beispielen mit der Kopfbewegung kann man sich an der Schwebebahn aber auch noch mal die Abstands-Verhältnisse vor Augen führen. Peilt man mit dem Fotoapparat einen Stern an, der i.d.R. ein paar Lichtjahre entfernt ist, und erwartet, dass sich die ISS oder die Schwebebahn anschließend durch das Bild bewegt, dann muss man beim eigenen Standort bei der Schwebebahn eine Genauigkeit von wenigen Metern einhalten und bei der ISS von einigen hundert Metern. Die Distanz zwischen einem selbst und der ISS bzw. der Schwebebahn ist im Vergleich zum Stern so gering, so dass sich eine Standortänderung auf dem Erdboden relativ schnell sehr stark auswirkt. Darum müssen die Standortdaten so genau sein.

Die 8 Einzelaufnahmen im Detail

Die 8 Aufnahmen wurden mit einem 1000 mm Teleskop gemacht. Da sollte man doch ein paar mehr Details als auf den 600 mm Aufnahmen sehen, oder?

Radio Eriwan: „Im Prinzip ja, aber …“

Auf der Zusammenstellung der acht 1000 mm Einzelaufnahmen sieht man schon, dass die ISS größer ist. Das Mehr an Brennweite ist also deutlich sichtbar. Die Belichtungseinstellungen waren aber nicht optimal (im Klartext – ziemlich daneben), weil ich noch keine Erfahrungswerte hatte. Es wurde mit ISO 12800, 1/500s bei f=5 fotografiert.

Hier sind die Ausschnitte aus den 8 Aufnahmen (Zoom auch hier 1200%). Durch die höhere Brennweite ist der helle „ISS-Klecks“ nun ca. 60×45 Pixel groß (bei 600 mm nur 30×30).

Zum Vergleich auch hier die verkleinerte NASA Aufnahme. Dieses mal herunter skaliert auf 90×60 Pixel, um zu sehen, wieviel Details man von einer 60 Pixel breiten ISS – unter Weltraum-Aufnahmebedingungen – maximal erwarten kann.

Herunterskaliertes NASA Bild (90×60 Pixel)

Da mein Teleskop ein Öffnungsverhältnis von f5 hat, ist es mehr als doppelt so lichtstark wie das 600 mm Objektiv mit f8. Aus dem Grund werde ich mich bei späteren Teleskop-Aufnahmen an den Einstellungen der 600 mm Aufnahmen orientieren (ISO 3200, 1/2000s) und sie so anpassen, dass nur die halbe Lichtmenge eingesammelt wird (z.B. ISO 1600 & 1/2000s oder ISO 3200 & 1/4000s). Teil 2 enthält hoffentlich bessere Bilder.

Fazit

Brennweite ist das A und O – was jetzt aber auch keine überraschende Erkenntnis ist. Danach muss man „nur noch“ die richtigen Belichtungseinstellungen finden, was nicht immer leicht sein wird, denn die ISS ist nicht bei jedem Überflug gleich hell.

Mangels guter Bilder ist dieser erste Teil etwas theorielastig geworden. Ich hoffe, die ein oder andere nicht unbedingt nötige Information war trotzdem interessant und hilfreich.

Wie geht es weiter?

Teil 2 lässt hoffentlich nicht zu lange auf sich warten. Ich hatte gehofft, im Winter 2020/2021 in kalter, trockener und ruhiger Luft schöne Bilder machen zu können, aber leider gab es 3 Monate lang nur Wolken und Regen (was ich den trockenen Wäldern aber gegönnt habe). Weitere Aufnahmeversuche werde ich ausschließlich mit dem Teleskop machen.

Ausprobieren werde ich auch die händische Teleskop Nachführung mit einem Telrad Finder, mit dem man die ISS wesentlich leichter als mit einem Finder-Scope ins Visier nehmen und verfolgen kann. Dadurch sollten pro Überflug mehr Aufnahmen als bei einer starren Ausrichtung zustande kommen.

Bei ausreichend Beobachtungsmöglichkeiten stehen auch noch Versuche mit einer 2x Barlow-Linse (Verdoppelung der Brennweite) und Kameras mit kleineren Bildsensoren (z.B. WebCam, wirkt auch wie eine Brennweiten-Erhöhung) auf dem Programm.

Stay tuned!

Roland